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1、细胞凋亡 Apoptosis一、概述 二、细胞凋亡的生物学特征 三、细胞凋亡的过程及机理 四、细胞凋亡与生理 五、细胞凋亡与疾病 六、细胞凋亡的检测一、概述 基本概念： PCD、apoptosis 研究发展史How is this applied to human conditions? Certain cancersuncontrolled cell division versus uncontrolled cell destruction Myocardial infarction(心肌梗塞) Cerebrovascular accident Alzheimers disease Embr
2、yological development细胞死亡的方式 programmed cell death，PCD Aging Physiological Killing microorganisms Toxic/nonphysiologicalcell necrosis 原因：血供中断、感染、中毒、强烈的理化因素等，导致 胞膜的损伤，引起细胞内外环境的失衡。 病理变化：细胞器肿胀变性，细胞溶解；由于质膜的裂解 ，细胞的内容物包括线粒体酶等释放入细胞间质，因此坏 死常伴有扩大的组织损伤和严重的炎症反应。 诱导细胞死亡的先存基因的定时、定空间的激活而 导致的细胞自杀现象。 PCD最初是1956年发育生
3、物学 中提出的概念，是个功能性概念，强调的是其分子生 物学和生理功能，一般指生理性细胞死亡。描述在一 个多细胞生物体中某些细胞死亡是个体发育中的一个 预定的，并受到严格程序控制的正常组成部分。如蝌 蚪尾巴的消失。 细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）定义：机体细胞在正常生理或病理状态下发生的一种自 发的、程序化的死亡过程，它的发生受到机体的严密 调控。 不一定都是先存基因 可以是生理性的也可以是病理性的 形态术语调亡是细胞的一种自杀方式，临终细胞（dying cell ）通过激活一个内在编码的、进化上非常保守的死亡 程序来启动自身的死亡。对凋亡的生理性调控提供了
4、 消除多余的发育不正常的以及存在遗传损伤的细胞的 一种机制。apoptosis凋亡分为两类：1、需合成新的RNA和蛋白质：激素、射线、热力、祛 除生长因子等诱导的细胞凋亡。2、不需合成新的RNA和蛋白质：CTL、NK淋巴细胞等 诱导的细胞凋亡。 Research History（1） Glucksman(1951)描述了脊椎动物在正常胚胎发育过 程中细胞存在着非病理性死亡。 Saunder (1966)从蛾（moth）的变态现象首次提出 PCD，并认为PCD即细胞生理性死亡。 Kerr（1972）：澳大利亚学者进行结扎门静脉分支诱 导肝萎缩时，通过光镜和电镜的观察，在超微结构水 平观察到细胞非
5、坏死性死亡的形态（细胞质固缩、染 色质碎裂），并首先提出凋亡（apoptosis)的概念，取 代传统的皱缩性坏死（Shinkage necrosis）和单细胞 渐进性坏死（Single-cell necrosis）。Research History（2） DNA的降解和内源性核酸内切酶的参与。(1987） 蛋白质水解酶活化的研究(1995) 细胞膜的变化(1997) 线粒体的变化和分子生物学的研究(1998-) 1) 相关基因及调控 2）信号转导 3）各种分子及其相互作用及相互关系 4）疾病机制的阐明，以及新疗法的探索及问世。Nobel Prize for Physiology or Medi
6、cine 2002 Co-awarded on October 7, 2002 For “genetic regulation of organ development and programmed cell death” Sydney Brenner (English) H. Robert Horvitz (American) John Sulston (English)Sydney Brenner1/3 of the prize United Kingdom The Molecular Sciences Institute Berkeley, CA, USA b. 1927 (in Uni
7、on of South Africa)H. Robert Horvit1/3 of the prize USA Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA b. 1947John E. SulstonUnited Kingdom The Wellcome Trust Sanger Institute Cambridge, United Kingdom b. 1942THE 2002 NOBEL PRIZE WINNERCaenorhabditis elegans: The Perfect Model A nema
8、tode approximately one mm long containing blood, muscle, heart, nervous, as well as other tissues From fertilization to adult in three days Life span of two to three weeks Adult organism comprised of 959 cells During embryological development will form 1090 cells Approximately 40 percent of the worm
9、s genes are also found in humans Responds to taste, smell, temperature, touch, and possibly light So, where did the other 131 cells go? 线虫神经系统由302个细胞组成。这些细胞来自于 407个前体细胞。也就是说105个细胞发生了程序性死亡。研究对象-线虫（nematode）参与线虫发育过程中细胞凋亡调控的基因凋亡活化基因 CED-3：具有严格底物特异性的半胱氨酸蛋白酶，以酶原的形式存在于细 胞内，细胞凋亡时活化的CED-3特异性降解蛋白底物，诱导凋亡细胞出 现
10、的特征性形态学和生物化学变化。 CED-4：既能结合CED-3，也能结合CED-9，在非凋亡细胞中， CED-9以 CED-4为中介和CED-3结合成为三元复合物，扣押CED-3使其以无活性 的酶原形式存在于细胞内。在凋亡诱导信号的作用下，凋亡调节分子 EGL-1与CED-9结合，并使后者自三元复合物中解离，随后CED-3在 CED-4的 作用下活化并促使细胞凋亡。从哺乳动物鉴定的CED-4同源性 蛋白命名为凋亡蛋白酶活化因子1（apoptotic protease activating factor1,Apaf-1). 凋亡抑制基因CED-9：使胚胎发育避免程序性细胞死亡，与哺乳动物原 癌基
11、因Bcl-2相关。二、细胞凋亡的生物学特征 形态学特征 生物化学特征细胞凋亡的形态学特征 细胞体积变小、胞膜气泡化、染色体浓缩、DNA分解成有 规律的片段。凋亡细胞的残体被旁邻细胞（巨噬细胞、上 皮细胞）吞噬。无炎症现象出现。 细胞凋亡的形态特征（1）凋亡的起始；微绒毛的消失，细胞间接触的消失，与周 围的细胞脱离，细胞质中，线拉体大体完整，染色质固缩。 （2） 细胞质密度增加，线粒体膜电位消失，通透性改变，释 放细胞色素C到胞浆，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面。 （3）凋亡小体的形成。核膜核仁破碎，核染色质断裂为大小 不等的片段，与某些细胞器如线粒体一起聚集，为反折的细 胞膜所包围。 （4）凋
12、亡小体逐渐被周围专职或非专职吞噬细胞吞噬。Comparitive Morphologies Necrosis. Cellular Swelling Pyknosis,Nuclear Disintegration Dissolution of cellmembranes Inflammation Involves whole organs or large part of organ Apoptosis Cell Shrinkage Chromatin Condensation Cytoplasmic blebbing,apoptotic bodies No inflammation Singl
13、e or small groups of cells胸腺细胞正常凋亡胸腺细胞 正常凋亡细胞坏死与凋亡的区别 坏死 凋亡性质 诱导因素 强烈刺激，严重损伤 较弱刺激，轻度损伤形态变化DNA降解炎症反应基因调控细胞结构全面溶解、破坏、 成群细胞死亡 胞膜及细胞器相对完整,形 成凋亡小体,个别细胞死亡不规则,电泳不呈梯状分布规则,电泳呈梯状分布溶酶体破裂，局部有炎 症反应溶酶体相对完整，局部无炎症 反应有,主动而有序的有控降解病理性细胞死亡生理性或病理性细胞死亡无,被动而无序的随机降解蛋白质合成 无 有细胞凋亡生化特征1、DNA的片段化即DNA双链片段化断裂。其断裂部位发生在染色质核小体的连接部，此
14、处易受内源性核酸内切酶的攻击而断裂。DNaseDNA链上每隔200个核苷酸就有1个核小体，当核酸内切酶在核小体连接部切开DNA时，即可形成180 200bp或其整倍数的DNA片段。这些片段在琼脂糖凝胶电泳中可呈特征的阶梯状条带，是判断细胞凋亡的客观指标之一。在正常情况下，内源性核酸内切酶以无活性的形成存 在于细胞核内。如被激活就可切断染色质DNA。细胞凋亡DNA的片段化2、蛋白质降解凋亡蛋白酶(caspases) ，水解底物天冬氨酸C端肽键，因此又称之为 Caspases(取英文Cysteine C，aspartic acid ，Asp ，proteases的词头)即半胱 天冬蛋白酶或天冬氨酸
15、特异性半胱氨酸蛋白酶。Biochemical features of apoptosis Protein cleavage：细胞膜磷脂酰丝氨酸外翻 Protein cross linkage：稳定而广泛的胞浆蛋白交联 DNA Breakdown：非随机性DNA降解 Phagocytic recognition：三、细胞凋亡的过程及机理 接受凋亡信号 凋亡调控分子间的相互作用 蛋白水解酶（caspases）的活化 凋亡的级联反应细胞凋亡的酶学基础（1） Caspase与细胞凋亡Caspase的性质与种类 Caspase的活化 活化的效应Caspase引起细胞凋亡的机制 介导细胞凋亡的其他酶类核酸内切酶 蛋白激酶细胞凋亡的酶学基础（2）1. Caspase的性质与种类性质：一个prodomain,和大小亚基序列各一个。种类：14种Caspase，根据结构的同源性分为3个亚家族，Caspase-1亚家族Caspase-2亚家族Caspase-3亚家族：包括Caspase3，6，7，8，9，10根据Caspase前提分子（procaspase）N端prodomain
